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申请/专利权人：天津大学

摘要：本发明公开了一种基于结霜模型不确定参数辨识的空气源热泵除霜控制方法，主要包含空气源热泵结霜模型的简化、结霜控制方程及边界条件的建立、结霜过程平衡方程的描述，和基于梯度下降的结霜模型不确定参数辨识；输入条件参数、几何参数、物理参数及边界参数，实时计算物性参数，通过对空气源热泵结霜模型的求解实现对空气源热泵除霜的控制。本发明对空气源热泵蒸发器结霜不均匀性进行简化，将蒸发器进行空间离散，建立结霜模型及除霜控制方法，监测蒸发器进出口空气状态，采用梯度下降方法辨识结霜模型中不确定参数，实现霜层生长过程的反演和霜层厚度的精准预测，从而进行空气源热泵的按需除霜，提升空气源热泵在结霜工况下的运行性能。

主权项：1.一种基于结霜模型不确定参数辨识的空气源热泵除霜控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：输入下述参数：计算设定的条件参数，包括：沿空气流向的蒸发器传热单元数z，霜层离散网格数n，时间步长Δτ，循环残差设定值ε1、ε2和ε3，空气源热泵除霜厚度阈值δc；几何参数，包括：沿来流空气流动方向的翅片长度L，蒸发器的翅根直径d2，蒸发器的翅片间距s，蒸发器最窄流道处的流道面积Aa.max，蒸发器管排数N，蒸发器的总换热面积Atotal，蒸发器的管基面积Atube，蒸发器的有效结霜面积Afs和蒸发器的翅片面积Afin；物理参数，包括：水蒸气的汽化潜热iSV，干空气的密度ρa及冰的密度ρi；计算过程中涉及的空气、冰及霜层的物性参数依靠软件包或计算库得到；步骤2：输入当前时刻的霜层厚度δfτ和霜层密度ρfτ，若当前为初始时刻，则输入初始霜层厚度δf0和霜层密度ρf0；输入当前时刻的边界参数，包括：蒸发器管基温度Ttubeτ，蒸发器风机转速Nrτ、蒸发器来流空气入口温度和含湿量监测值Tain*τ和wain*τ以及蒸发器来流空气出口温度和含湿量监测值Taout*τ和waout*τ；步骤3：设定下式1中的不确定参数β和γ； 式1中，va.max为蒸发器最窄流道处的空气流速，单位为ms；β和γ为需要辨识的不确定参数；s为蒸发器的翅片间距，单位为m；d3为蒸发器的翅根直径d2与霜层厚度δf之和，单位为m；L为沿来流空气流动方向的翅片长度，单位为m；υ为来流空气的运动粘度，单位为m2s；Nr为蒸发器风机转速，单位为rmin；步骤4：按式1，计算蒸发器的最窄流道处的空气流速va.max；步骤5：按下式2，计算来流空气的质量流量ma；ma＝ρava.maxAa.max2式2中，ρa为干空气的密度，单位为kgm3；Aa.max为蒸发器最窄流道处的流道面积，单位为m2；步骤6：设定沿来流空气方向第一个传热单元出口温度值Taout1′与含湿量值waout1′，利用来流空气的入口温度监测值Tain*与含湿量监测值wain*，计算第一个传热单元内与霜层传热传质的来流空气平均温度与平均含湿量步骤7：将第一个传热单元来流空气的平均温度平均含湿量蒸发器管基温度Ttube、蒸发器最窄流道处的空气流速va.max输入控制方程，设第一个传热单元内n个网格的霜层温度分布Tf′并迭代求解，直至设定的霜层温度Tf′与计算霜层温度Tf的差值的绝对值小于循环残差设定值ε1，得到传热单元的霜层温度Tf，控制方程如下式3～式8所示； 式3～式6中，kf为霜层的导热系数，单位为Wm·K；Tf为霜层温度，单位为℃；iSV为水蒸气的汽化潜热，单位为kJkg；C为霜层对水蒸气吸收系数的经验值，取500，单位为1s；ρa为干空气的密度，kgm3；wf为霜层内过饱和状态湿空气含湿量，gkg；wsat为对应霜层温度下饱和状态湿空气含湿量，gkg；Deff表示霜层内部的有效水蒸气扩散系数，m2s；Tsft为蒸发器表面等效温度，单位为℃；ηfin为蒸发器的翅片效率，无量纲；Afin为蒸发器的翅片面积，单位为m2；其中：kfx＝0.132+3.13×10-4ρfx+1.6×10-7ρfx27 式7和式8中，ρf为霜层的密度，单位为kgm3；Dstd为标准水蒸气扩散系数，取0.22×10-4，单位为m2s；ρi表示冰的密度，kgm3；步骤8：按下式9～式14计算来流空气和霜层的显热通量qsens.fs及来流空气和霜层的水蒸气质量通量mfs； 式9和式10中，qsens.fs为来流空气和霜层的显热通量，单位为Wm2；heff为来流空气和蒸发器的对流换热系数，单位为Wm2·K；Tfs为霜层表面温度，单位为℃；mfs为来流空气和霜层的水蒸气质量通量，单位为gm2·s；hm.eff为来流空气和霜层的对流传质系数，单位为ms；wfs为霜层表面温度对应饱和空气含湿量，单位为gkg；其中：heff＝jNρava.maxcp.aPra-2311jN＝0.991j4[2.24Re-0.092×N4-0.031]0.607N-412j4＝0.0014+0.2618Re-0.4AtotalAtube-0.1513 式11～式14中，jN为N排管蒸发器管外对流换热系数计算的j因子，无量纲；cp.a表示常压下的空气比热容，单位为kJkg·K；Pra为来流空气的普朗特数，无量纲；j4为4排管蒸发器，管外对流换热系数计算的j因子，无量纲；Re为来流空气流过蒸发器的雷诺数，无量纲；N为蒸发器管排数，无量纲；Atotal为蒸发器的总换热面积，单位为m2；Atube为蒸发器的管基面积，单位为m2；Le为来流空气的刘易斯数，无量纲；步骤9：利用第一个传热单元中来流空气和霜层的显热通量qsens.fs、来流空气和霜层的水蒸气质量通量mfs，按下式15和式16计算来流空气出口温度Taout1与含湿量waout1，并返回步骤6，迭代求解直至设定的来流空气出口温度Taout1′与计算来流空气出口温度Taout1差值的绝对值小于循环残差设定值ε2，同时，来流空气出口含湿量waout1与计算来流空气出口含湿量的差值的绝对值小于循环残差设定值ε2；Qsens.a＝cp.amaTain-Taout＝qsens.fsAfs15Ma＝mawain-waout＝mfsAfs16式15和式16中，Qsens.a为来流空气和霜层的显热换热量，单位为W；Afs为蒸发器的有效结霜面积，单位为m2；Ma为来流空气和霜层的传质量，单位为gs；步骤10：以沿空气流动方向上第一个传热单元来流空气出口温度Taout1与含湿量waout1作为第二个传热单元来流空气入口温度Tain2与含湿量wain2；重复步骤6至步骤9的计算流程，直至计算得到沿空气流动方向上第z个传热单元的来流空气出口温度计算值Taout与计算值含湿量waout；步骤11：基于蒸发器来流空气出口温度监测值Taout*、来流空气出口含湿量监测值waout*、来流空气出口温度计算值Taout、来流空气出口含湿量计算值waout，按下式17计算损失函数I；Iβ,γ＝Taout*-TaoutTaout*+waout*-waoutwaout*17步骤12：判断损失函数I是否小于预设残差ε3，若满足条件，结束循环，得到不确定参数β和γ的辨识值β*和γ*，以及每个传热单元的霜层内过饱和状态湿空气含湿量wf以及来流空气与霜层表面的水蒸气质量通量mfs，执行步骤13；否则，采用梯度下降的方法更新β和γ，并返回步骤4；β和γ的更新按下式18和式19计算； 式18和式19中，η表示学习率；dβ和dγ均表示不确定参数变化步长；步骤13：按下式20～式22更新每个传热单元的霜层厚度，并输出当前时刻最大霜层厚度，若最大霜层厚度超过空气源热泵除霜厚度阈值δc，则开始除霜，否则，返回步骤2，开始下一时刻计算； mδ＝mfs-mρ21 式20～式22中，mρ为增大了霜层密度的水蒸气通量，单位为gm2·s；mδ为增加了霜层厚度的水蒸气通量，单位为gm2·s；δf为有效结霜面积上的霜层厚度，单位为mm；τ为时间，单位为s；Δτ为时间步长，单位为s。

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百度查询： 天津大学 基于结霜模型不确定参数辨识的空气源热泵除霜控制方法